盾構長距離穿越上軟下硬富水石灰巖地層施工技術

田瑞忠

(中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030024)

1 前言

隨著城市軌道交通建設的不斷發展，面對復雜多變的地下環境，地下區間施工大多會選擇安全和進度可靠的盾構法，但傳統盾構法也表現出對復雜地層適應性差的缺點。土壓平衡式盾構長距離穿越上軟下硬富水石灰巖地層一直是國內外盾構技術人員研究的重點和難題。傳統盾構法在施工過程中往往憑經驗設置掘進參數。盾構穿越上軟下硬地層推力和扭矩變化幅度大，掘進方向容易產生偏差，有可能突遇溶洞、螺旋機噴涌，導致大量水土回落至隧道和施工區域，甚至出現盾構機掉落以及危及成型隧道安全的現象。另外盾構機刀具磨損嚴重，頻繁開倉換刀，嚴重影響盾構掘進速度，使得施工進度和安全無法得到保證。本文主要從盾構機刀盤刀具進行設計優化、螺旋機出土口防噴涌改造、通過優化掘進參數有效控制刀具磨損等方面進行重點介紹。

2 工程概況及水文地質

2.1 工程概況

徐州地鐵2號線百果園站-拖龍山站左右線區間設計均采用盾構施工工法，線路從百果園站東端出發，沿御景路和昆侖路南側綠化帶下方10～20 m深自西向東敷設，最后到達娃哈哈自來水廠對面的拖龍山站西端。右線全長1 299 m，左線全長1 309 m。區間縱斷面從百果園站出發后以26‰、3.3‰的縱坡向下至聯絡通道，再以4.7‰、26‰的坡度向上至拖龍山站。

2.2 地質條件

本段盾構區間穿越地層為粉質黏土和老黏土，下伏基巖主要為頁巖和石灰巖。其中頁巖以全～強風化為主，巖石抗壓強度為5～23 MPa；石灰巖以中風化為主，巖石抗壓強度為50～166 MPa，平均抗壓強度90 MPa。巖石裂隙較發育，兩層灰巖之間的頁巖在地下水波動情況下極易發展為溶洞或者空洞。線路連續穿越軟硬不均地層長420 m，上軟下硬地層使隧道拱頂圍巖穩定性差[1]，極易發生坍塌。

2.3 水文條件

百果園站-拖龍山站區間巖溶裂隙水承壓水頭較高，水量較大，水位補給迅速，巖石滲透系數為2.38～3.02 m/d，平均2.78 m/d，單井涌水量為198.7 m3/d。抽水孔停泵后水位迅速恢復，10～20 s內基本恢復至靜水位35～37.8 m。

3 施工關鍵技術

3.1 盾構機掘進裝置優化配置技術

根據百果園站-拖龍山站盾構區間詳勘及補勘地質資料，區間穿越有石灰巖、頁巖、老黏土等上軟下硬不良地層，經過適應性評估選擇復合式土壓平衡盾構機，并根據以下地層特點對盾構機刀盤進行針對性設計[2]:全斷面硬巖的破巖能力；極端上軟下硬地層的剛性；高粘性地質防結泥餅；高沖擊地層的刀具保護；高粘地層和高硬巖層的刀盤結構設計。

3.1.1 刀盤設計優化

(1)針對區間穿越高硬地層，刀盤體采用舞陽鋼鐵Q345C高強度鋼板焊接而成，焊后整體退火消除內應力。刀盤面板加焊信鉻材質耐磨鋼板，刀盤外圈鑲嵌合金式耐磨條裝帶，其它部位以耐磨焊條形成網狀耐磨層提高刀盤整體耐磨性能。

(2)由于區間穿越大量老黏土地層，刀盤進渣口設計為錐形結構有利于渣土順暢流入土艙，以免渣土板結成塊堵塞刀盤開口。

(3)考慮刀具磨損后開挖直徑仍能大于盾構切口環的直徑，設置刀盤直徑為φ6 440 mm(管片外徑φ6 200 mm)，以保證盾構姿態的調整。

3.1.2 刀具設計優化

(1)考慮區間上軟下硬地層距離較長，采用軸式滾刀，便于軟硬不均地層滾刀的更換。刀座式齒刀替換滾刀后，可實現軟巖地層的掘進。

(2)對于高強度巖石，適當配置盤形滾刀，達到更好的破碎效果。

(3)在上軟下硬地層中，采用滾刀高出切刀布置形式，先有盤形滾刀破巖，再有切刀刮削入倉，以保障切刀使用壽命[3]。

刀盤型式見圖1，刀盤參數見表1，刀盤優化技術措施見表2。

圖1 刀盤優化后型式

3.2 出土口改造技術

(1)將出土口中心斜板改裝成角度可調節

根據盾構穿越地層特性，調整中心斜板角度。對于含水量較小、流動性差的地層，中心斜板角度(與水平方向夾角)設置為小角度，反之設置為大角度[4]。

(2)出土口中心斜板兩側加設引流側板

兩側引流側板設置在出土口中心斜板兩側，向內傾斜，引流側板附帶底板。盾構在穿越老黏土層時渣土呈硬塑狀，流動性差，在出土口難以掉落，容易造成出土口兩側掛土，引流側板引導聚集老黏土向中間流動，此時底板打開；掘進機經過含水量較大的地層時底板合上[5]。

表1 刀盤相關參數

表2 刀盤優化技術措施及效果

(3)加設延伸管裝置

加設延伸管裝置，用液壓裝置控制伸縮，與引流側板連接，管的長度延伸到傳送帶上。穿越富水石灰巖地層時，容易產生噴涌，大量水土沖出出土口回落到隧道及其它施工區域，通過延伸管裝置，將水土運至離傳送帶末端較遠的地方，避免水土回落至隧道。遇富水石灰巖地層引流側板底板需收起，與延伸管裝置組成封閉系統。具體優化改造見圖2。

圖2 防噴涌出土口改良裝置示意

3.3 掘進參數選定

長距離上軟下硬石灰巖地層盾構機掘進控制的關鍵是如何減少刀具磨損延長刀具使用壽命進而減少換刀次數[6]，確保盾構機平穩有序穩步推進。

根據現有對刀具磨損研究[7]資料可知刀具磨損量計算公式和貫入度公式為:

導出刀具磨損量和貫入度的關系，得出盾構機在這種地層中每掘進10 m刀具的磨損量為:

式中，δ為磨損量(mm)；K為磨耗系數(mm/km)；D為盾構刀盤外徑(m)；N為刀盤的轉動速度(r/min)；L為掘進距離(m)；V為掘進速度(mm/min)；P為貫入度(mm/r)。

從公式(3)可以看出，在同一地層中使用固定刀具，在同一盾構刀盤外徑下，決定刀具磨損量大小的可變因素為刀具切削土體和巖石的貫入度P，且二者之間成反比，故提高刀具使用壽命的最佳辦法為提高刀具的貫入度。增大刀具貫入度可通過提高掘進速度或降低刀盤轉速，從而達到降低刀具磨損量的目的。刀盤轉速在不同地層中一般有經驗可循且變化幅度不大，根據以往經驗并集合本工程地質實際情況，刀盤轉速控制在1.2～1.3 r/min為宜。

提高盾構掘進速度最直接的辦法為提高盾構機的推力，但是盾構機推力一定要在合理的范圍內，推力的大小直接決定了刀具所承受的載荷。推力過小，則推進速度低，影響施工效率；推力過大，會導致滾刀刀圈的偏磨或斷裂[8]。因此需要對盾構機的推力進行準確計算并確定實際推力范圍，保證工程的順利進行。

盾構的推力計算公式:

式中，F1為盾構外殼與土體之間摩擦阻力；F2為刀盤承受的主動土壓力；F3為切削土石所需要的推力；F4為盾尾與管片之間的摩擦阻力；F5為牽引后方臺車的拉力。

根據本標段地勘資料進行計算，掌子面按照半土半巖情況進行考慮，得出盾構總推力[9]F＝572＋245＋139＋16＋12＝984 t。

因此盾構應提供的總推力至少為984 t，式(4)中F2、F3為直接作用在刀具上的作用力，兩者之和為384 t。盾構機刀盤上共配置44把18寸的盤形滾刀，單把滾刀承受最大推力為25 t，掘進時推進油缸的總推力不能大于25 t×44＝1 100 t，再加F1、F4、F5的總和，即為1 700 t，故本區間復合段地層控制總推力范圍為984～1 700 t。

同時必須考慮不同推力對扭矩的影響，一般推力與扭矩是正比關系。過小的扭矩控制會減弱盾構的切削能力，達不到預期切削效果；扭矩過高會造成轉動角變化過快、盾構機振動過大、油溫和水溫過高、刀盤卡死等[10]。

綜上所述，盾構在上軟下硬富水石灰巖地層中掘進時[11]，要在適合的刀盤轉速、盾構機推力的前提下盡量增大刀具貫入度[12]，這樣既可以提高總體施工進度，也可以減少刀具磨損，同時減少換刀次數。

最終現場盾構施工參數控制范圍確定如下:

總推力:(990 ～1 500)t；

刀盤扭矩:(2 500～3 500)kN·m；

掘進速度:(10～20)mm/min；

刀盤轉速:(1.2～1.3)r/min；

貫入度:(7 ～16)mm/r。

4 結論

徐州地鐵2號線百果園站-拖龍山站區間連續穿越上軟下硬富水石灰巖地層長420 m，巖石最高強度166 MPa，平均90 MPa。在盾構掘進過程中通過合理控制盾構掘進參數，減少了刀具磨損量，延長了刀具使用壽命，左右線各換刀2次即完成區間隧道的施工任務。上軟下硬富水石灰巖地層達到平均日掘進5環，大大提高了掘進功效并降低了安全風險，成型隧道無錯臺、漏水、破損，未因盾構換刀出現掌子面坍塌、超限地面沉降及建(構)筑物損壞情況，安全快速完成了該區間的施工任務。

在盾構實際掘進過程中要對刀具的磨損、開裂、螺栓松動等情況勤于檢查，并在檢查過程中摸索總結該地層刀具磨損規律以便于指導施工。另外，渣土超排控制、同步及二次注漿的及時和足量、監控量測、帶壓換刀等技術[13]也是施工控制的重點。石灰巖地層溶洞較發育，要高度重視超前地質探測，必要時進行詳細的補勘以探明溶洞分布情況及大小，便于采取有效措施提前對溶洞進行處理以確保盾構機安全順利通過溶洞區域。